CN104591130B - 一种荧光碳量子点及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种荧光碳量子点及其制备方法和应用。碳量子点的制备方法：以苹果酸(或苹果酸和乙醇胺、或苹果酸和乙烷磺酸)为原料，加入二次水，超声得到澄清溶液，置于微波炉里反应5‑20分钟，得到固体，经溶解、过滤、透析后得到未掺杂(或掺氮、或掺硫)的水溶性荧光碳量子点。本发明碳量子点制备工艺简单，制备的碳量子点光学性质稳定，生物相容性好。本发明碳量子点可用于分析检测水体中的Fe³⁺、活细胞生物成像和荧光油墨等领域。

Description

一种荧光碳量子点及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及荧光碳量子点，具体是一种以苹果酸为碳源，掺杂氮、硫元素的荧光碳量子点及其制备方法，以及碳量子点在分析检测水体中的Fe³⁺、活细胞生物成像和荧光油墨中的应用。

背景技术

近年来，量子点由于其具有优越的光学及电学性质受到极大的关注和广泛的研究，其作为准零维纳米材料具有量子限域效应、表面效应、尺寸效应等优越的性质，因此量子点在光学器件、电学器件、生物成像、生物载药等方面得到了良好的应用。传统的量子点研究较多的为半导体量子点(例如CdSe、PbTe、CdTe等)，其在生物医学领域尤其是在细胞、活体的动态示踪和成像中的应用已表现出巨大的潜力，但重金属元素的引入使其毒性较大从而限制了其应用，因此寻找理想的无毒并具有类似性质的纳米级替代材料已成为研究热点。

碳量子点(carbon dots，C-dots)作为碳材料家族中最小的成员出现人们视野中，它是由Walter A.Scrivens等在2004年研究单壁碳纳米管时意外的首次发现了一种以碳为骨架结构的新型发光纳米材料，与传统的半导体量子点相比，碳量子点作为一种新型可发光材料，不仅保持了碳材料毒性小、生物相容性好等优点，而且具有合成方便、易于修饰、发光范围可调、荧光量子效率高、光稳定性好、易于功能化、价廉、易大规模合成等巨大优势，并且基本上无毒性，更符合细胞标记和生物医学成像的需要。碳量子点的平均粒径小于10nm，具有较长的荧光寿命和生物安全性。因此，碳量子点在金属离子和小分子荧光探针、生物传感、生物分析以及光催化等领域体现出重要的应用价值。

制备碳量子点的方法主要有两种，自上而下法(Top-down)和自下而上法(Bottom-up)。自上而下的方法主要包括电弧放电、激光剥蚀、电化学氧化等，该类方法往往需要严格的实验条件，成本高，操作复杂；自下而上的方法主要包括水热合成法、微波法、超声波法等，但是由于该类方法制得的碳量子点大多需要严格的后处理工艺，不利于规模生产。因此，寻找廉价易得、天然无毒和环境友好型的原料作为碳源，制备具有生物相容性好、光学性质稳定的碳量子点是目前的研究热点。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种荧光碳量子点及其制备方法，碳量子点制备方法简便、设备简单、绿色环保；所制备的碳量子点可应用于金属离子检测、细胞成像以及荧光油墨等方面。

本发明提供的一种碳量子点的制备方法，包括以下步骤：

1)、将苹果酸置于微波反应器中，加入二次水，充分搅拌，超声得到澄清溶液，苹果酸和水的质量比为0.26-1∶10-20；

2)、将装有澄清溶液的微波反应器置于微波炉中，高火状态下反应5-20min，得到固体；

3)、取出微波反应器，自然冷却，加入初始溶液体积量1.5-2倍的二次水，搅拌溶解，过滤去除不溶物得到澄清的溶液，通过500-1000Da的透析袋，在玻璃容器中透析处理至少3天，即得到纯净的碳量子点的水溶液；

4)、将上述碳量子点水溶液冷冻干燥后得到目标碳量子点。

步骤1)也可以是：

将苹果酸和乙醇胺置于微波反应器中，加入二次水，充分搅拌，超声得到澄清溶液，苹果酸、乙醇胺和水的质量比为：0.26-1.1∶0.12-0.5∶10-20。或者是：

将苹果酸和乙烷磺酸置于微波反应器中，加入二次水，充分搅拌，超声得到澄清溶液，苹果酸、乙烷磺酸和水的质量比为：0.26-1.1∶0.16-0.7∶10-20。

上述方法以苹果酸为碳源，并掺杂氮、硫元素，分别以乙醇胺为氮源、乙烷磺酸为硫源，得到的三种目标碳量子点分别为未掺杂碳点、掺氮碳点和掺硫碳点。

上述方法制备的三种碳量子点可作为荧光探针在水体中检测Fe³⁺，掺氮碳点对Fe³⁺的最低检出限可达8.02×10^-7mol，检出线性范围6-200μmol。

另外，上述方法制备的三种碳量子点也可在活细胞荧光成像和荧光油墨中应用。

本发明具有以下有益技术效果：

(1)本发明操做步骤简单，不需要后续添加强酸或表面钝化剂进行处理，反应物在同一体系中进行碳化、聚合及表面修饰，即可得到目标碳量子点。

(2)原材料苹果酸、乙醇胺和乙烷磺酸均为普通试剂，与传统量子点制备所需的昂贵反应底物相比来源广泛，价格低廉。

(3)生产设备仅需微波炉，操作简易，能在十几分钟内快速完成反应，节能省时。

(4)本发明方法所制得的三种碳量子点在水溶液中都具有良好的溶解度和分散性，并且是粒径小于10nm的纳米颗粒。

(5)碳量子点的光学性质稳定，量子产率较高，以硫酸奎宁(量子产率54％)为标准物，所得的三种碳量子点的相对量子产率一般在5.1％～15.1％之间。

总之，本发明操作工艺简单，原料来源广泛，制备条件要求低且相对温和，所得碳量子点光学性质稳定，荧光量子产率较高，解决了现有碳量子点制备方法因工艺和原料限制而无法规模化生产等问题，并且，该碳量子点可在铁离子检测、生物标记、生物影像以及荧光油墨等领域得到广泛应用。

附图说明

图1为实施例1制备的未掺杂碳点的荧光发射光谱；

图2为实施例2制备的掺氮碳点的荧光发射光谱；

图3为实施例3制备的掺硫碳点的荧光发射光谱；

图4为实施例1、2、3制备的三种碳量子点的紫外吸收光谱；

图5为实施例1、2、3制备的三种碳量子点的XRD光谱图；

图6为实施例1、2、3制备的三种碳量子点的红外光谱图，图中横坐标为检测波长，纵坐标为透过率；

图7为实施例1制备的碳量子点的XPS光谱图。

图8为实施例2制备的掺氮碳点的XPS光谱图。

图9为实施例3制备的掺硫碳点的XPS光谱图。

图10为实施例1制备的未掺杂碳点的透射电镜图(左侧)和粒径分布图(右侧)；

图11为实施例2制备的掺氮碳点的透射电镜图(左侧)和粒径分布图(右侧)；

图12为实施例3制备的掺硫碳点的透射电镜图(左侧)和粒径分布图(右侧)；

图13为实施例2制备的掺氮碳点对Fe³⁺淬灭的荧光光谱图；

图14为实施例2制备的标记的人子宫颈癌HeLa细胞激光共聚焦图。

图15为实施例2制备的掺氮碳点用于荧光油墨的照片。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做详细说明，实施例给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

步骤1，称量0.2682g苹果酸于微波反应器中，随后加入10mL二次水，充分搅拌，超声得到澄清溶液；

步骤2，将微波反应器置于微波炉(700瓦)高火状态下反应20min，得到浅黄色固体；

步骤3，取出微波反应器，自然冷却，向其中加入20mL二次水，搅拌溶解得到浅黄色溶液，过滤去除不溶物得到澄清的浅黄色溶液，通过500-1000Da的透析袋，在玻璃容器中透析处理至少3天去除杂质，即得到纯净的荧光碳量子点的水溶液；

步骤4，将上述荧光碳量子点水溶液冷冻干燥后得到荧光碳量子点，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为9.86％。

实施例2

称量0.2682g苹果酸于微波反应器中，加入10mL二次水，随后加入121μL乙醇胺充分搅拌，超声得到澄清溶液；

步骤2，将微波反应器置于微波炉(700瓦)高火状态下反应10min，得到浅褐色固体；

步骤3，取出微波反应器，自然冷却，向其中加入20mL二次水，搅拌溶解得到浅褐色溶液，过滤去除不溶物得到澄清的浅褐色溶液，通过500-1000Da的透析袋，在玻璃容器中透析处理至少3天去除杂质，即得到纯净的荧光碳量子点的水溶液；

步骤4，将上述荧光碳量子点水溶液冷冻干燥后得到荧光碳量子点，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为15.13％。

实施例3

称量0.2682g苹果酸于微波反应器中，加入10mL二次水，随后加入163μL乙烷磺酸充分搅拌，超声得到澄清溶液；

步骤2，将微波反应器置于微波炉(700瓦)高火状态下反应5min，得到浅褐色固体；

步骤3，取出微波反应器，自然冷却，向其中加入20mL二次水，搅拌溶解得到浅褐色溶液，过滤去除不溶物得到澄清的浅褐色溶液，通过500-1000Da的透析袋，在玻璃容器中透析处理至少3天去除杂质，即得到纯净的荧光碳量子点的水溶液；

步骤4，将上述荧光碳量子点水溶液冷冻干燥后得到荧光碳量子点，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为5.5％。

实施例4

称量0.2682g苹果酸于微波反应器中，加入10mL二次水，随后加入242μL乙醇胺充分搅拌，超声得到澄清溶液；

步骤2，将微波反应器置于微波炉(700瓦)高火状态下反应15min，得到浅褐色固体；

步骤3，取出微波反应器，自然冷却，向其中加入20mL二次水，搅拌溶解得到浅黄色溶液，过滤去除不溶物得到澄清的浅黄色溶液，通过500-1000Da的透析袋，在玻璃容器中透析处理至少3天去除杂质，即得到纯净的荧光碳量子点的水溶液；

步骤4，将上述荧光碳量子点水溶液冷冻干燥后得到荧光碳量子点，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为12.94％。

实施例5

称量0.2682g苹果酸于微波反应器中，加入10mL二次水，随后加入326μL乙烷磺酸充分搅拌，超声得到澄清溶液；

步骤2，将微波反应器置于微波炉(700瓦)高火状态下反应5min，得到浅褐色固体；

步骤3，取出微波反应器，自然冷却，向其中加入20mL二次水，搅拌溶解得到浅黄色溶液，过滤去除不溶物得到澄清的浅黄色溶液，通过500-1000Da的透析袋，在玻璃容器中透析处理至少3天去除杂质，即得到纯净的荧光碳量子点的水溶液；

步骤4，将上述荧光碳量子点水溶液冷冻干燥后得到荧光碳量子点，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为5.1％。

实施例6

将实施例1、2、3制备的荧光碳量子点进行荧光发射和紫外吸收光谱表征(见图1-4)，进行TEM、红外光谱、XRD和XPS表征(见图5-12)，得到本发明制备的荧光碳量子点的粒径均小于10nm，表面含有羧基、羟基、氨基等基团。

实施例7

取实施例2制备的荧光碳量子点水溶液(1mg/mL)1.8mL置于荧光比色皿中，分别加入0.2mL的13种常见的金属离子溶液(10mmol/L)，混合均匀，在荧光光度计中扫描发射光谱(λ_ex＝351nm，λ_em＝449nm)，并记录荧光强度，如图13(a)所示，碳量子点对Fe³⁺有良好的离子选择性，Fe³⁺可以使碳量子点的荧光淬灭。为了计算碳量子点对Fe³⁺的检测范围，取实施例2制备的荧光碳量子点水溶液(1mg/mL)1.8mL置于荧光比色皿中，分别加入0.2mL不同浓度(从低到高)的Fe³⁺溶液，混合均匀，在荧光光度计中扫描发射光谱(λ_ex＝351nm，λ_em＝449nm)，见图13(b)。

实施例8

实施例2制备的荧光碳量子点水溶液(8mg/mL)用于标记的人子宫颈癌HeLa细胞，如图14所示，细胞形态良好，可见掺氮碳点几乎没有细胞毒性，可用于活细胞标记。图14(a)从左到右依次为：(a)暗场(激发为405nm)细胞图(蓝色)，(b)暗场(激发为488nm)细胞图(绿色)，(c)暗场(激发为559nm)细胞图(红色)；图14第二行从左到右依次为：(d)明场和暗场蓝色叠加图，(e)明场和暗场绿色叠加图，(f)明场和暗场红色叠加图；图14第三行从左到右依次为：(g)蓝色和绿色叠加图，(h)蓝色和红色叠加图，(i)绿色和红色叠加图。

实施例9

将实施例2制备的荧光掺氮碳点水溶液(5mg/mL)置于圆珠笔芯中，在滤纸上可随意流畅的写出字迹，字迹在日光灯下没有颜色，而在365nm紫外灯下可见明亮的蓝色荧光，故本发明提供的碳量子点可用作荧光书写材料或荧光油墨制成荧光笔，代替商业上有毒性的荧光笔。如图15从左到右依次为注入碳量子点溶液的笔芯在365nm紫外灯下发出蓝色荧光的照片，写有“山西大学”字样的滤纸在日光灯下和在365nm紫外灯下的照片。

Claims (6)

1.一种荧光碳量子点的制备方法，其特征在于，步骤为：

1)、将苹果酸置于微波反应器中，加入二次水，充分搅拌，超声得到澄清溶液，苹果酸和水的质量比为0.26-1∶10-20；

2)、将装有澄清溶液的微波反应器置于微波炉中，高火状态下反应5-20min，得到固体；

3)、取出微波反应器，自然冷却，加入初始溶液体积量1.5-2倍的二次水，搅拌溶解，过滤去除不溶物得到澄清的溶液，通过500-1000Da的透析袋，在玻璃容器中透析处理至少3天，即得到纯净的碳量子点的水溶液；

4)、将上述碳量子点水溶液冷冻干燥后得到目标碳量子点。

2.如权利要求1所述的一种荧光碳量子点的制备方法，其特征在于，所述的步骤1)替换为：将苹果酸和乙烷磺酸置于微波反应器中，加入二次水，充分搅拌，超声得到澄清溶液，苹果酸、乙烷磺酸和水的质量比为：0.26-1.1∶0.16-0.7∶10-20。

3.如权利要求1或2所述方法制备的荧光碳量子点。

4.如权利要求3所述的荧光碳量子点在检测水体Fe³⁺中的应用。

5.如权利要求3所述的荧光碳量子点在细胞荧光成像中的应用。

6.如权利要求3所述的荧光碳量子点在荧光油墨中的应用。